CN110508473A - 一种基于双层压电薄膜的双频压电式微机械超声换能器 - Google Patents
一种基于双层压电薄膜的双频压电式微机械超声换能器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于双层压电薄膜的双频压电式微机械超声换能器。现有技术在同一个平面设置两个顶电极影响双频压电式微机械超声换能器的性能。本发明包括双层压电薄膜和三层电极，其基本单元结构为截面是正多边形的棱柱，由上而下依次包括金属上电极层、上层压电薄膜、中间金属电极层、下层压电薄膜、金属下电极层、硅器件层、埋氧层、硅衬底层。沿硅衬底层的中心轴开有微腔，埋氧层将微腔顶部封盖。本发明在两层压电薄膜的中间设置一个公用电极，再在双层压电薄膜的顶部和底部分别设置一个电极，取代之前设置在同一个表面的两个顶电极，避免两个电极在位置和间距上的限制，优化了电极参数，提高了双频压电式微机械超声换能器性能。
Description
技术领域
本发明属于微机电技术领域，涉及一种超声换能器，具体是一种基于双层压电薄膜的双频压电式微机械超声换能器。
背景技术
双频超声是指同时具有两个工作频带的超声，它相对于传统单频超声具有诸多优势，能够在谐波成像、图像引导治疗、透皮给药和流体表征等应用中取得更好的效果。目前，大多数双频超声换能器是由多个传统单频超声换能器组合而成。这种组合结构不仅会增加器件制造的复杂性，也将降低波束形成的性能。最近，基于微机电系统(MEMS)技术的超声换能器取得了进展，有望克服上述困难。
如文献Appl.Phys.Lett.115,023501(2019)所述，一种基于单层压电薄膜和两个顶电极的双频压电式微机械超声换能器能够在单芯片上实现很好的双频超声发送或接收效果。然而，在同一个平面设置两个顶电极会极大限制器件优化范围，从而影响双频压电式微机械超声换能器的性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于双层压电薄膜的双频压电式微机械超声换能器，相对于现有双频压电式微机械超声换能器，它的电极参数可优化范围更大且不受限制，更容易达到器件性能最优化。
本发明的双频压电式微机械超声换能器包括双层压电薄膜和三层电极，其基本单元结构为截面是正多边形的棱柱，所述棱柱的正多边形底面外接圆的直径为20～20000微米；由上而下依次包括金属上电极层、上层压电薄膜、中间金属电极层、下层压电薄膜、金属下电极层、硅器件层、埋氧层、硅衬底层。进一步，金属下电极层和硅器件层之间设置有氧化绝缘层。两个或多个基本单元结构组合成双频压电式微机械超声换能器阵列。
沿硅衬底层的中心轴开有微腔；所述的微腔为底面直径为10～10000微米的圆柱体，微腔贯穿硅衬底层设置，或由硅衬底层顶面向下开设，底部置于硅衬底层内；附着在硅器件层下方的埋氧层设置在硅衬底层上，将微腔顶部封盖；所述的硅器件层厚度为0.1～10微米，埋氧层厚度为0.5～5微米，硅衬底层厚度为100～1000微米。
所述的金属上电极层包括位于同一平面的上电极中心金属片和上电极条形金属片，上电极中心金属片为圆形或圆环形金属片，位于基本单元结构顶面的中心，两条上电极条形金属片分别一端与上电极中心金属片相接，另一端位于基本单元结构的侧壁。
所述的金属下电极层包括位于同一平面的下电极中心金属片和下电极条形金属片，下电极中心金属片为圆形或圆环形金属片，位于基本单元结构对应横截面的中心，两条下电极条形金属片分别一端与下电极中心金属片相接，另一端位于基本单元结构的侧壁。
上层压电薄膜、中间金属电极层、下层压电薄膜、硅器件层的形状尺寸相同，包括位于同一平面正多边形的外框部分和外框部分内的圆形的内圆部分，内圆部分与外框部分相接。
上层压电薄膜、中间金属电极层、下层压电薄膜、硅器件层的内圆部分，以及上电极中心金属片、下电极中心金属片均与微腔同心设置，上层压电薄膜、中间金属电极层、下层压电薄膜、硅器件层的内圆部分的直接大于微腔的内径，微腔的内径大于上电极中心金属片和下电极中心金属片的外径。所述的金属上电极层、中间金属电极层、金属下电极层为金、钛、铬、铝、铂、铜、钼的单层或任意两种的双层金属薄膜。
上层压电薄膜设置在金属上电极层与中间金属电极层之间，将金属上电极层与中间金属电极层隔离。下层压电薄膜设置在中间金属电极层与金属下电极层之间，将中间金属电极层与金属下电极层隔离。
上层压电薄膜和下层压电薄膜的材料为PZT、AlN或ZnO，厚度为0.1～10微米。
本发明提出的双频压电式微机械超声换能器，在两层压电薄膜的中间设置一个公用电极，再在双层压电薄膜的顶部和底部分别设置一个电极，取代之前设置在同一个表面的两个顶电极。这种设计可以避免两个电极在位置和间距上的限制，能够使电极参数的优化范围最大化，从而实现双频压电式微机械超声换能器的最优化。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为图2中A-A剖面结构示意图；
图4为图2中B-B剖面结构示意图；
图5为图1中金属上电极层的平面结构示意图；
图6为图1中金属下电极层的平面结构示意图；
图7为图1中上层压电薄膜、中间金属电极层、下层压电薄膜和的平面结构示意图；
图8为压电式微机械超声换能器的离散化有限元分析模型的示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例来详细描述本发明。
如图1所示，基于双层压电薄膜的双频压电式微机械超声换能器，含有双层压电薄膜和三层金属电极。其基本单元结构为截面是正多边形的棱柱，所述棱柱的正多边形底面外接圆的直径为20～20000微米；由上而下依次包括金属上电极层1、上层压电薄膜2、中间金属电极层3、下层压电薄膜4、金属下电极层5、硅器件层6、埋氧层7、硅衬底层8。金属下电极层5和硅器件层6之间还可以设置有氧化绝缘层(图中未标示)。两个或多个基本单元结构组合成双频压电式微机械超声换能器阵列。
如图2所示，硅衬底层的微腔9、金属上电极层1和金属下电极层5的图形中心保持对准。如图3和4，沿硅衬底层8的中心轴向开有微腔9。微腔为底面直径为10～10000微米的圆柱体，微腔9贯穿硅衬底层8设置，或由硅衬底层8顶面向下开设，底部置于硅衬底层8内；附着在硅器件层6下方的埋氧层7设置在硅衬底层8上，将微腔9顶部封盖；所述的硅器件层6厚度为0.1～10微米，埋氧层7厚度为0.5～5微米，硅衬底层8厚度为100～1000微米。
如图5所示，金属上电极层1包括位于同一平面的上电极中心金属片1-1和上电极条形金属片1-2，上电极中心金属片1-1为圆形或圆环形金属片，位于基本单元结构顶面的中心，两条上电极条形金属片1-2分别一端与上电极中心金属片1-1相接，另一端位于基本单元结构的侧壁。
如图6所示，金属下电极层5包括位于同一平面的下电极中心金属片5-1和下电极条形金属片5-2，下电极中心金属片5-1为圆形或圆环形金属片，位于基本单元结构对应横截面的中心，两条下电极条形金属片5-2分别一端与下电极中心金属片5-1相接，另一端位于基本单元结构的侧壁。
为了方便引线，金属上电极中两个长条形金属片的朝向与金属下电极中两个长条形金属片的朝向不同，典型的设置如图5和图6所示，二者朝向呈垂直关系。
如图7所示，上层压电薄膜2、中间金属电极层3、下层压电薄膜4、硅器件层6的形状和尺寸相同，包括正多边形的外框部分和位于同一平面外框部分内的圆形的内圆部分，内圆部分与外框部分相接。
如图2所示，上层压电薄膜2、中间金属电极层3、下层压电薄膜4、硅器件层6的内圆部分，以及上电极中心金属片1-1、下电极中心金属片5-1均与微腔9同心设置，上层压电薄膜2、中间金属电极层3、下层压电薄膜4、硅器件层6的内圆部分的直接大于微腔9的内径，微腔的9内径大于上电极中心金属片1-1和下电极中心金属片5-1的外径。所述的金属上电极层1、中间金属电极层3、金属下电极层5为金、钛、铬、铝、铂、铜、钼的单层或任意两种的双层金属薄膜。
属于金属上电极层1的电极中心金属片1-1和属于金属下电极层5的下电极中心金属片5-1存在交叠区域。由于上电极和下电极属于不同的薄膜层，因此，上电极和下电极的图形既可以交叠，也可以不交叠，二者不会相互限制。相比较之下，如果只有单层压电薄膜，为了实现相同的功能，与此处上电极和下电极对应的内环电极和外环电极需要设置在同一个金属电极层，因而，内环电极和外环电极的图形不能出现交叠或交联。
为了方便引线，金属上电极中两个长条形金属片的朝向与金属下电极中两个长条形金属片的朝向不同，典型的设置如图5和图6所示，二者朝向呈垂直关系。如图7所示，上层压电薄膜2、中间金属电极层3、下层压电薄膜4和硅器件层6的图形包括中心圆盘和外框构成，这种设计有利于减小多层薄膜的压力和减少器件单元之间的串扰，从而能够提高器件性能。
以上介绍了基于双层压电薄膜的双频压电式微机械超声换能器的结构和组成，下面具体阐述上电极和下电极的优化方法。
确定上电极或下电极的尺寸和位置方法，具体步骤包括：
1.建立压电式微机械超声换能器的有限元分析模型，使用有限元分析方法计算该模型的第一共振频率f1和第二共振频率f2；
2.以1～10微米为最小单位将上电极或下电极沿径向离散化，得到离散化的有限元分析模型，并获得上电极或下电极的尺寸和位置的所有参数组合；
3.使用有限元分析软件对上电极或下电极的尺寸和位置的所有参数组合进行扫描，针对每个参数组合可获得一条从0.5f1到2f2的振动幅度频率响应曲线；
4.分析每一条振动幅度频率响应曲线，找到前两个峰值P1和P2，再计算P1/P2和P2/P1；在所有振动幅度频率响应曲线所对应的P1/P2和P2/P1中，分别找到P1/P2绝对值排名前3的情况和P2/P1绝对值排名前3的情况；从P1/P2绝对值排名前3的情况任选之一，使用该情况下的参数组合定义上电极金属片的尺寸和位置，从P2/P1绝对值排名前3的情况任选之一，使用该情况下的参数组合定义下电极金属片的尺寸和位置，上电极金属片和下电极金属片的尺寸和位置也可以互换。
图8示意了压电式微机械超声换能器的离散化有限元分析模型，在该示例中，三维有限元分析模型被简化为中心旋转对称的二维有限元分析模型，再沿径向以5微米为单元将半径为50微米的振膜划分为10个单元，同样地将边缘区域也划分为2个单元，这样就得到了所述的离散化有限元分析模型。
综上，本发明提出基于双层压电薄膜的双频压电式微机械超声换能器。在两层压电薄膜的中间设置一个公用电极，再在双层压电薄膜的顶部和底部分别设置一个电极，取代之前设置在同一个表面的两个顶电极。这种设计可以避免两个电极在位置和间距上的限制，能够使电极参数的优化范围最大化，从而使双频压电式微机械超声换能器的性能达到最优化。
至此，已经结合附图对本发明进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明所述双频压电式微机械超声换能器有了清楚的认识。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于双层压电薄膜的双频压电式微机械超声换能器，其特征在于：
包括双层压电薄膜和三层电极，其基本单元结构为截面是正多边形的棱柱，所述棱柱的正多边形底面外接圆的直径为20～20000微米；
由上而下依次包括金属上电极层(1)、上层压电薄膜(2)、中间金属电极层(3)、下层压电薄膜(4)、金属下电极层(5)、硅器件层(6)、埋氧层(7)、硅衬底层(8)；
沿硅衬底层(8)的中心轴开有微腔(9)；所述的微腔(9)为底面直径10～10000微米的圆柱体，微腔(9)开口于硅衬底层(8)顶面；附着在硅器件层(6)下方的埋氧层(7)设置在硅衬底层(8)上，将微腔(9)顶部封盖；
所述的金属上电极层(1)包括位于同一平面的上电极中心金属片(1-1)和上电极条形金属片(1-2)，上电极中心金属片(1-1)为圆形或圆环形金属片，位于基本单元结构顶面的中心，两条上电极条形金属片(1-2)分别一端与上电极中心金属片(1-1)相接，另一端位于基本单元结构的侧壁；
所述的金属下电极层(5)包括位于同一平面的下电极中心金属片(5-1)和下电极条形金属片(5-2)，下电极中心金属片(5-1)为圆形或圆环形金属片，位于基本单元结构对应横截面的中心，两条下电极条形金属片(5-2)分别一端与下电极中心金属片(5-1)相接，另一端位于基本单元结构的侧壁；
所述的上层压电薄膜(2)、中间金属电极层(3)、下层压电薄膜(4)、硅器件层(6)的形状和尺寸相同，包括位于同一平面的正多边形的外框部分和外框部分内的圆形的内圆部分，内圆部分与外框部分相接；
所述的上层压电薄膜(2)、中间金属电极层(3)、下层压电薄膜(4)、硅器件层(6)的内圆部分，以及上电极中心金属片(1-1)、下电极中心金属片(5-1)均与微腔(9)同心设置，上层压电薄膜(2)、中间金属电极层(3)、下层压电薄膜(4)、硅器件层(6)的内圆部分的直接大于微腔(9)的内径，微腔的(9)内径大于上电极中心金属片(1-1)和下电极中心金属片(5-1)的外径；
上层压电薄膜(2)设置在金属上电极层(1)与中间金属电极层(3)之间，将金属上电极层(1)与中间金属电极层(3)隔离；下层压电薄膜(4)设置在中间金属电极层(3)与金属下电极层(5)之间，将中间金属电极层(3)与金属下电极层(5)隔离。
2.如权利要求1所述的一种基于双层压电薄膜的双频压电式微机械超声换能器，其特征在于：所述的金属下电极层(5)和硅器件层(6)之间设置有氧化绝缘层。
3.如权利要求1所述的一种基于双层压电薄膜的双频压电式微机械超声换能器，其特征在于：所述的微腔(9)贯穿硅衬底层(8)设置。
4.如权利要求1所述的一种基于双层压电薄膜的双频压电式微机械超声换能器，其特征在于：所述的微腔(9)由硅衬底层(8)顶面向下开设，底部置于硅衬底层(8)内。
5.如权利要求1所述的一种基于双层压电薄膜的双频压电式微机械超声换能器，其特征在于：所述的硅器件层(6)厚度为0.1～10微米，埋氧层(7)厚度为0.5～5微米，硅衬底层(8)厚度为100～1000微米。
6.如权利要求1所述的一种基于双层压电薄膜的双频压电式微机械超声换能器，其特征在于：所述的金属上电极层(1)、中间金属电极层(3)、金属下电极层(5)是材料为金、钛、铬、铝、铂、铜、钼的单层金属薄膜，或任意两种的双层金属薄膜。
7.如权利要求1所述的一种基于双层压电薄膜的双频压电式微机械超声换能器，其特征在于：所述的上层压电薄膜(2)和下层压电薄膜(4)厚度为0.1～10微米，材料为PZT、AlN或ZnO。
8.如权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的一种基于双层压电薄膜的双频压电式微机械超声换能器，其特征在于：两个或多个基本单元结构组合成双频压电式微机械超声换能器阵列。
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